換熱器及換熱方法

2023-06-09 23:16:36

專利名稱：換熱器及換熱方法
技術領域：
本發明涉及一種換熱器，一種結構和一種包含該換熱器的一次性套件，以及一種在一次流體和至少一第一二次流體之間的換熱方法。
背景技術：
在對病人進行連續性腎臟替代療法，此後稱為CRRT的治療中，所需要的治療液通常必須被存儲在低於病人體溫的溫度下。此類流體往往被存儲在2到20攝氏度的溫度範圍內，以使該流體保持在其功能性和完整性得以維持的狀態。出於該原因，當將該流體引入病人體內時，通常需要將該流體加熱到合適的溫度以避免病人體溫的急降。出於同樣原因， 在血液重新返回病人體內之前，需要加熱這些將通過血液處理單元中的半透膜與病人血液接觸的流體，或者需要加熱血液本身。在透析治療中，在體外迴路中循環的血液的一些熱量通常會散發到環境中，該體外迴路包含血液管線和用於處理血液的透析器。血液在體外迴路內的熱量損耗，最終會導致病人體內的熱量損耗。CRRT的連續性增大了體外迴路內血液循環中耗散熱量的可能性， 並且在某些情況下，病人可能會經歷體溫下降。這在當治療液的溫度低於體外循環的血液的溫度時尤其明顯。體外循環的血液中的熱量損耗或是由於熱量擴散至周圍空氣當中，或是由於熱量擴散或對流至廢棄液中。廢棄液包括血液透析(HD)方式治療中使用過的透析液，以及在血液透析濾過(HDF)或血液過濾(HF)方式中的提取液。廢棄液被排出，此時從血液擴散至廢棄液的熱量也就損耗了。向血液中注入治療液也可能會導致血液溫度下降。通常血液中大部分熱量損耗至廢棄液。在大約50毫升/分鐘的低血流量期間將會面臨特殊的挑戰，因為與100-200毫升/分鐘的中血流量或200-300毫升/分鐘的高血流量相比，低血流量期間溫度的下降量會更大。出於這樣的原因，需要在某些CRRT治療中補償或降低體外循環血液的熱量損耗。若治療液被消毒存儲在柔性袋或剛性或半剛性容器中，通過需要直接接觸治療液的裝置來加熱治療液是一項挑戰。為確保經體外循環的血液不會受到嚴重影響，任何治療液的溫度都不應超過41攝氏度。US 6，349，170公開了一種腎臟替代治療系統，該系統包含能夠被連接至腎臟替代治療監視器的血液加溫器，以及適於安裝至該血液加溫器並與其協同工作的靜脈回血管。 該血液加溫器具有圓柱形外表面。該靜脈回血管螺旋狀接合在該圓柱形表面上，以作為該血液加溫器的換熱部分。貝殼形螺旋套被安裝在該換熱部分之上，以便保持該靜脈回血管， 並且提高從換熱部分到靜脈回血管的熱傳遞特性。

發明內容
本發明的目的在於提供一換熱器，一種結構和一種包含該換熱器的一次性套件， 以及一種換熱方法，該方法包含用於補償體外迴路中血液的一些熱量損耗的裝置和步驟。
本發明的一個實施例基於這樣的事實，S卩，從血液中損耗的熱量可在一定程度內接受。例如，一成年病人可接受的熱量損耗率對應於能量損失在40W的範圍。本發明基於回收從血液中損耗到廢棄液中的熱量。如此，藉助於廢棄液來加熱將要注入血液或將要透析血液的治療液，而廢棄液是通過血液加熱的。血液本身不被加熱。根據本發明的一個實施例，該換熱器為板式。該換熱器包含第一流體迴路和第二流體迴路。按照可選方式，該換熱器還包含第三流體迴路。在本發明的另一個實施例中，該換熱器包含第四流體迴路。這些流體迴路彼此分開，並且每條流體迴路均從該換熱器的一側延伸到相反側。進一步地，該換熱器包含堆疊在一起的多個流體板以及布置在各流體板之間的薄膜，從而在交換板的一側和薄膜的一側之間形成間隙。每一條流體迴路均構成為延伸穿過這些流體板及薄膜的通路，該通路在至少兩個間隙中延伸。根據本發明的一個實施例，該第一流體迴路構成為在至少四個間隙中延伸的通路。根據本發明的一個實施例，該第一流體迴路構成為在至少八個間隙中延伸的通路，第二流體迴路構成為在至少四個間隙中延伸的通路，以及第三流體迴路構成為在至少四個間隙中延伸的通路。在該換熱器的一個實施例中，多個帶有中間薄膜的流體板彼此層層堆疊，並且這些流體板布置在頂端板和底端板之間。該頂端板和該底端板是一種適於只在其一側上通過流體的流體板。各端板可選地彼此結合以形成包圍這些流體板和薄膜的堆疊的殼體。根據本發明的換熱方法的一個實施例，在該方法中在上述類型的換熱器內在一次流體和二次流體之間進行換熱，其中，該一次流體流經第一流體迴路，該二次流體流經第二流體迴路。該方法包含以下步驟使該一次流體沿薄膜的一側通過，同時使該二次流體沿該薄膜的另一側通過，並且在該薄膜上進行該一次流體和該二次流體之間的換熱。根據本發明的換熱方法的一個實施例，在該方法中在所披露類型的換熱器內在一次流體和第一二次流體及第二二次流體之間進行換熱，其中，該一次流體流經第一流體迴路，該第一二次流體流經第二流體迴路並且該第二二次流體流經第三流體迴路。根據該實施例的方法包含下列步驟使該一次流體沿第一薄膜的一側通過，同時使該第一二次流體沿該第一薄膜的另一側通過；隨後使該一次流體沿第二薄膜的一側通過，同時使該第二二次流體沿該第二薄膜的另一側通過，並且在該第一薄膜上進行該一次流體和該第一二次流體間的換熱，而在該第二薄膜上進行該一次流體和該第二二次流體之間的換熱。根據本發明的換熱方法的一個實施例，在該方法中在一次流體和第一二次流體、 第二二次流體之間進行換熱，其中，一次流體流被設置為穿過該換熱器，以便交替地加熱該第一二次流體和該第二二次流體。可選擇地，該一次流體也被設置為按照相應方式加熱第三二次流體。該一次流體流可選擇地與每一該二次流體流的流向相反，或者與至少一個該二次流體流的流向相反。此處使用的短語「交替地」目的在於涵蓋依靠一次流體進行加熱的概念，例如按照這樣的次序第一、第二、第一和第二二次流體等，以及例如按照這樣的次序第一、第二、 第二和第一二次流體等。也就是說，此處使用的短語「交替地」的目的在於涵蓋依靠一一次流體加熱至少兩種第二二次流體的概念，其中第一和第二二次流體的流體迴路是交錯的。在一個實施例中，至少一個流體板在其每一側均設有使流體通過的流體通道。在一個實施例中，除上端板和下端板外，所有的流體板都在其兩側設有流體通道。在一個實施例中，至少一條流體迴路從一側開始(例如從該換熱器的上側開始)， 延伸穿過所有的流體板和薄膜，到達該換熱器的相反側，例如該換熱器的下側。在一另選實施例中，所有的流體迴路從該換熱器的一側起延伸至該換熱器的相反一側，從而最大化換熱表面。在一個實施例中，至少一個該流體板是隔熱的，即不具有導熱性。或者，至少一個該流體板的隔熱性只達到這種程度，即流體板上的熱交換完全不會顯著影響到該換熱器的總體換熱效果。在一個實施例中，所有的流體板均是基本隔熱的或隔熱的。通過回收損耗到廢棄液中的熱量來加熱治療液，該方法減少了在連續性腎臟替代療法(CRRT)中自體外循環的血液中損耗的熱量。根據本發明的一個實施例，一種用於連續性腎臟替代療法(CRRT)的結構，其包含帶有至少一個血液泵的連續性腎臟替代療法監視器，至少一個治療液泵以及可選地包含廢棄液泵。這種結構進一步包含一次性血液管線，其與該監視器相連接，並且用於通過血液泵進行體外血液循環；流體分配通路，其與該監視器相連接，並且包含可選擇地依靠廢棄液泵來使廢棄液流過的管線；以及至少一條用於治療液的管線，其與該監視器相連接，並且依靠治療液泵使治療液通過。該治療液是預先配製且隨時可用的。該結構還包含布置在該血液管線和流體處理迴路之間的過濾單元。該流體分配通路進一步包含換熱器，該換熱器被配置為與該廢棄液管線流體連接，並且被布置為與該治療液管線處於傳熱關係中，以便將熱量從該廢棄液傳遞到待加熱的治療液中。在上述實施例中，該結構沒有包含任何廢棄液泵，依靠血液泵產生的壓力來使廢棄液流動。可選擇地，通過重力使廢棄液流動。根據一個實施例，一種一次性套件包含支撐件，血液管線和流體分配通路，該流體分配通路包含廢棄液管線和至少一條治療液管線。所有的管線均連接至該支撐件，並且至少每條治療液管線均具有U形部分，其被設計為與相應的泵相互配合。過濾單元被連接至該血液管線，並且被連接至該流體處理迴路。該流體分配通路包含換熱器，該換熱器被配置為與該廢棄液管線流體連接，並且被布置為與該治療液管線處於傳熱關係中，以便將熱量從該廢棄液傳遞到待加熱的流體中。根據本發明的換熱器在流量變化的整個範圍內自始至終均可以在一次流體(例如廢棄液)和至少一個二次流體(例如治療液或血液流體)之間實現換熱。本發明的其他實施例、特徵和優點將根據接下來的說明、附圖以及權利要求而變
得清楚。


圖1示意性地示出了根據現有技術的連續性腎臟替代療法的流程圖。圖加示意性地示出了連續性腎臟替代療法的流程圖，其包含用於在一一次流體和兩個二次流體之間換熱的換熱器。圖2b示意性地示出了連續性腎臟替代療法的流程圖，其包含用於在一一次流體和血液之間換熱的換熱器。圖3a示意性地示出了帶有兩個傳熱薄膜的兩迴路換熱器的原理的主視剖面圖。
圖北示意性地示出了帶有四個傳熱薄膜的三迴路換熱器的原理的主視剖面圖。圖3c示意性地示出了帶有八個傳熱薄膜的三迴路換熱器的原理的主視剖面圖。圖4示出了三迴路換熱器的一個實施例。圖5示出了如圖4中的換熱器的該實施例，其中換熱器所包含的部件彼此分開。圖6a，6b示出了如圖5所示類型的一次流體板的一個實施例。圖7a，7b示出了如圖5所示類型的二次流體板的一個實施例。圖8示出了如圖5所示類型的薄膜的一個實施例。圖9示意性地示出了連續性腎臟替代療法流程圖，其包含用於在一一次流體和三個二次流體之間換熱的換熱器。圖IOa示意性地示出了帶有六個傳熱表面的四迴路換熱器的原理的主視剖面圖。圖IOb示意性地示出了帶有十個傳熱表面的四迴路換熱器的原理的主視剖面圖。圖Ila-Ilc顯示了與所測試的圖IOb所示類型的換熱器有關的流速、溫度和效率的曲線。圖12示意性地示出了用於連續性腎臟替代療法監視器的一次性套件的一個實施例，其包含如圖4所示類型的換熱器。圖13示意性地示出了如圖12所示的一套件，其被布置在連續性腎臟替代療法監視器上。圖14示意性地示出了帶有九個傳熱薄膜的四迴路換熱器的原理的主視剖面圖， 其中一次流體板和二次流體板是彼此相同的。
具體實施例方式圖1顯示了用於連續性腎臟替代療法(CRRT)的示意性結構。該結構包含血液迴路la，該血液迴路Ia用於依靠至少一個血液泵Ib (只舉例地示出一個血液泵)使來自病人P的血液流經過濾單元2的第一隔室加進行體外血液循環。該過濾單元2的第一隔室加在圖1中用中空纖維型的單獨半透膜表示。該結構進一步包含廢棄液管線3a，廢棄液管線3a用於依靠廢棄液泵北將廢棄液自該過濾單元2的第二隔室2b傳輸到廢棄液容器4。 該結構包含一個或一個以上的治療液管線，其例如是用於使新鮮的透析液和/或置換液和 /或抗凝液通過的管線。CRRT療法依靠CRRT監視器(未示出)被監控和控制。該監視器可基於微處理器。該監視器可以包括所有邏輯，並且通過控制閥門(未示出)和泵來接收和處理命令，解碼傳感器(未示出)，激活報警器，以及指揮該治療系統各個方面的運行。CRRT可根據溶質清除原理執行三種不同模式血液透析(HD)模式，血液過濾(HF) 模式以及血液透析濾過(HDF)模式。HD模式中，過濾單元2中的溶質清除是基於擴散原理，新鮮的透析液依靠透析液泵6b被從透析液源5經由透析液管線6a輸送到該過濾單元2的第二隔室2b。過濾單元2 中使用過的透析液依靠廢棄液泵北經該廢棄液管線3a被輸送到廢棄液容器4中。HF模式中，過濾單元2中的溶質清除是基於對流原理，濾液(即通過半透膜從病人血液中過濾出來的流體)依靠廢棄液泵北從該過濾單元2的該第二隔室2b經由廢棄液管線3a傳輸到廢棄液容器4。為了置換某些濾液以及恢復病人的正常體液狀態，來自置換液源7的置換液從布置在過濾單元2上遊的注入點Ic被注入到血液管線la。該置換液依靠置換液泵8b經由置換液管線8a被傳輸到血液管線Ia中的注入點Ic處。或者，來自帶置換液源7的置換液被注入到該過濾單元2下遊的注入點Id處。該置換液然後依靠該置換液泵8b，經由置換液管線8a，Se被傳輸到注入點Id。依靠CRRT監視器控制置換液的量，以使其少於過濾液的量。在一種另選的CRRT 配置中，置換液由透析液源5中的透析液構成，其依靠透析液泵6b，經由透析液管線6a，6e 被傳輸到血液管線Ia中的注入點Id。HDF方式中，溶質清除是基於擴散和對流原理，根據如上結合HD和HF模式說明的原理，同時利用新鮮透析液和置換液。在所有上述三種方式中，均可選地將來自於抗凝液源9的抗凝液在布置於血液泵 Ib上遊的注入點Ie處注入到血液管線Ia中。該抗凝液依靠抗凝液泵10b，經由抗凝液管線IOa被送至注入點Ie處。各透析液5、置換液7和抗凝液9的源都可以是經消毒的且準備好用於提前製備好的流體的容器的形式。每個容器可盛放1-10升的流體量。該容器可以是柔性的、剛性的或半剛性的。透析液、置換液和抗凝液可以都是與廢棄液相比而言較涼的流體。血液也可以比廢棄液涼。本發明提出利用該廢棄液與以下一種或多種流體的溫差透析液，置換液，抗凝液，血液和血漿。所述溫差是這樣利用的，即較溫暖的廢棄液被用於加熱一種或一種以上的較涼流體。該加熱過程發生於換熱器中，該換熱器被布置為與該廢棄液處於傳熱關係中，從而將廢棄液中的熱量傳遞給待加熱的較涼流體。相對較暖的流體和相對較涼的流體此後分別稱為一次流體和二次流體。圖加示出了主要與圖1相結合地進行說明的CRRT結構的示意圖，該CRRT結構包含換熱器11，其適用於依靠一一次流體來加熱至少一第一二次流體，或者選擇性地也適用於加熱第二二次流體。該一次流體可以是從過濾單元2中提取的廢棄液，該第一二次流體可以是存儲在透析液源5中的新鮮透析液，而該第二二次流體可以是存儲在置換液源7中的置換液。或者，置換液也可存儲在流體源5中。圖2b示出了主要與圖1相結合地進行說明的CRRT結構的示意圖，該CRRT結構包含換熱器11，其適用於通過一一次流體來加熱血液。該一次流體可以是從過濾單元2中提取的廢棄液。該換熱器可以為板式或中空纖維式，其中該中空纖維可以是半透式的或不滲透式的。圖3a示出了換熱器11內部結構原理的一個實施例。在該實施例中包含第一和第二二次流體板，其分別以以端板14，15的形式示出，並且一次流體板12布置在端板14，15 之間。流體板12，14，15是基本上隔熱的。薄膜16被布置在這些板12，14，15之間。第一流體迴路19適於作為一次流體W的通道，而二次流體迴路20適於使二次流體X流過，因此該一次流體W和該二次流體X之間的換熱發生在每一導熱性薄膜16上。在使用時，該一次流體W根據圖示方向經由該位於右上端的第一入口 3c進入到該換熱器11中。該一次流體W穿過該第一端板14、該第一薄膜16a以及該一次流體板12流到用於一次流體的第一間隙17a。然後，該一次流體W在該第一間隙17a中從圖3a的右側流到左側，穿過該第一流體板12流到用於一次流體的第二間隙17b。然後一次流體W在該第二間隙17b中從圖3a的左側流到右側，穿過該第一流體板12、第二薄膜16b，並且穿過該第二端板15並從該第一出口 3d流出。在該所示實施例中，該一次流體W以及該二次流體X被布置以相反流向流動。該二次流體X在兩個分開的換熱表面(例如薄膜16a，16b)上，被該一次流體W加熱。同時，該二次流體X通過布置在該換熱器11的左下側的第二入口 6c流入，並穿過該第二端板15到達用於二次流體18a的第一間隙。然後，該二次流體X在該第一間隙18a 內自圖3a中的左側流到右側，然後穿過第二薄膜16b、第一流體板12、第一薄膜16a到達用於二次流體18b的第二間隙。然後，該二次流體X在該第二間隙18b內自圖3a中的右側流到左側，穿過該第一端板14，並從第二出口 6d流出。圖北示出了根據圖加的CRRT結構的換熱器11的內部結構原理的一個實施例。 該換熱器11具有三條分開的流體迴路，例如用於一次流體W和第一和第二二次流體X，Y的第一、第二和第三流體迴路19，20，21。根據圖北所示的原理圖的方向，該內部結構包含了一組板12-15，這些板彼此層層堆疊，並且在各板之間均布置有薄膜16。這些薄膜16是液密的，並且是不可滲透的。下文中，將這些薄膜總體上稱為薄膜16，具體引用時採用相應的字母16a, 16b, 16c等等。這些板分別採用第一種和第二種設計方式。採用第一種設計方式的板被設計為使一次流體W在其上側和下側通過且使一次流體W穿過該板。下文中，通常將採用第一種設計方式的板稱為一次流體板12，具體引用時採用相應的字母12a，12b，12c等等。採用第二種設計方式的板被設計為使相應的二次流體X，Y在其上側和下側通過且使二次流體X，Y穿過該板。下文中，通常將採用第二種設計方式的板稱為二次流體板13，具體引用時採用相應的字母13a，13b，13c等等。一次流體板12和二次流體板13交替地布置在第一端板14和第二端板15之間。 該第一和第二端板14，15作為一種其他類型的流體板，在至少一側被設計用於使一次流體 W或二次流體X，Y通過。在圖北中以彼此分開的姿態清晰示出了板12，13，14，15以及薄膜16。板12-15和薄膜16總體上呈矩形，具有一致的外部尺寸，並且相鄰板的四周通過中間薄膜以液密方式連接。在另選實施例(未示出)中，板12-15以及薄膜16可以總體上呈八邊形的形狀，以替代總體上呈矩形的形狀。如圖5和6a，6b，7a，7b所示，每一個板12，13，14，15都具有至少一個帶有支撐肋 23a的側面，其與相鄰的薄膜16a和相鄰的板一起形成多個間隙，這些間隙使得流體可以通過各流體迴路19，20，21流經換熱器11。這樣，在每一薄膜16上進行一次流體W和二次流體X，Y之間的換熱。如圖5，6a，7a所示，每一個板12，13以及至少一個端板14，15具有至少一個帶有密封肋2 的側面，其與相鄰的薄膜16和相鄰的板一起，提供了各相鄰板之間的液密密封。在下文中，限定用於一次流體W的流道的間隙將總體上被稱為用於一次流體17的間隙，具體引用時採用相應的字母17a，17b，17c等等。在下文中，限定用於二次流體X，Y 的流道的間隙將總體上被稱為用於二次流體18的間隙，具體引用時採用相應的字母18a， 18b, 18c 等等。圖北所示的換熱器11的內部結構的原理性實施例包含作為一次流體W入口的第一入口 3c，作為一次流體W出口的第一出口 3d，作為第一二次流體X入口的第二入口 6c，作為第一二次流體X出口的第二出口 6d，作為第二二次流體Y入口的第三入口 8c，以及作為第二二次流體Y出口的第三出口 8d。這些出入口是這樣布置的，即，該上側端板14具有該第一入口 3c以及該第二和第三出口 6d，8d，而該下側端板15具有該第一出口 3d以及該第二和第三入口 6c，8c。第一流體迴路19被布置為連接第一入口 3c和第一出口 3d。第二流體迴路20被布置為連接第二入口 6c和第二出口 6d。第三流體迴路21被布置為連接第三入口 8c和第三出口 8d。具體而言，第一流體迴路19穿過板Ua-b，13a, 14，15和薄膜16a_d，並且沿著用於一次流體的間隙17a-d流通。該第二和第三流體迴路20，21分別穿過板lh_b，13a, 14，15和薄膜16a-d，並且沿著至少一些用於二次流體的間隙18a_d流通。每一個入口和出口 3c，3d，6c, 6d, 8c, 8d均被連接到管線或類似部件(未示出)，以用於傳送或抽回流體W， X，Y。這樣，如圖5，6a，6b，7a和7b所示，一次流體板lh_b、第一二次流體板13a、端板 14和15以及薄膜16a-d均具有該第一、第二和第三流體迴路19，20，21的、呈貫穿口對形式的部分，以允許流體通過。形成在薄膜16和流體板12-15的相應側面之間的間隙17，18 構成了各流體迴路19，20，21，28的換熱部分。在使用中，根據圖北的換熱器11的該實施例允許一次流體W、第一和第二二次流體X，Y以這樣的方式流動，即一次流體W交替地加熱該第一和第二二次流體X，Y。總之，該一次流體W沿其通過第一流體迴路19的路線，經過兩個一次流體板12a， 12b中的每一個的兩側。第一二次流體X沿其通過第二流體迴路20的路線，經過一個二次流體板13a的兩側。第二二次流體Y沿其通過第三流體迴路21的路線，經過各第一和第二端板14，15的一側。根據圖北所示的方向，該換熱器11具有上端和下端、以及左側和右側。當如圖北所示實施例的換熱器11使用時，一次流體W在該換熱器的上端通過第一入口 3c被導入到右側，以及通過第一流體迴路19穿過第一端板14，第一薄膜16a以及第一一次流體板1 到達用於一次流體的第一間隙17a處。然後該一次流體沿該用於一次流體的第一間隙17a 從圖北的右側流到左側，並且穿過第一一次流體板1 到達用於一次流體的第二間隙17b 處，並沿該用於一次流體的第二間隙17b從圖北的左側流到右側。然後該一次流體穿過該第一一次流體板12a，第二薄膜16b，第一二次流體板13a，第三薄膜16c以及第二一次流體板12b到達用於一次流體的第三間隙17c處。然後重複上述過程直到該一次流體穿過該換熱器11右下方的第一出口 3d而離開第二端板15。根據圖北所示的實施例，將被一次流體W加熱的第一二次流體X通過該換熱器右下端的第二入口 6c被導入，並經由第二通道20穿過該第二端板15、第四薄膜16d、第二一次流體板12b以及第三薄膜16c到達用於二次流體的第二間隙18b處。然後，該第一二次流體X沿該用於二次流體的第二間隙18b從圖北的右側流到左側，並且穿過第一二次流體板13a到達用於二次流體的第三間隙18c處，並沿該用於二次流體的第三間隙18c從圖北的左側流到右側。該第一二次流體然後穿過第二薄膜16b、第一一次流體板12a、該第一薄膜16a、該第一端板14，並且穿過該換熱器11右上端的第二出口 6d。根據如北所示的實施例，將被一次流體W加熱的第二二次流體Y通過穿過該換熱器11左下端的第三入口 8c被導入，並經由第三通道21穿過該第二端板15到達用於二次流體的第一間隙18a處，並沿該第一間隙從圖北的左側流到右側，然後穿過第四薄膜16d、第二一次流體板12b、第三薄膜16c、第一二次流體板13a、第二薄膜16b、第一一次流體板1 以及第一薄膜16a到達用於二次流體的第四間隙18d處。然後該第二二次流體沿該用於二次流體18d的第四間隙從圖3a中的右側到達左側，並穿過第一端板14，隨後從該換熱器11 左上端的第三出口 8d導出。根據圖北所示的實施例，每一個二次流體X，Y均由一次流體流W在兩個獨立的薄膜16上加熱。當採用根據圖北所示的實施例的該換熱器11時，該一次流體W被布置為相對第一和第二二次流體X，Y反向流動，穿過獨立而又相鄰的隔室，該隔室分別用於一次流體和二次流體，並且呈間隙17和18的形式。也就是說，在一個間隙(如17d)內的一次流體以與相鄰間隙(如18b)內的二次流體相反的方向流過換熱器11。然而本發明也適用於同向流動的設置情況。一次流體W和二次流體X，Y中的至少一個流體流是幾乎平流的。在流體W，X，Y從板12-15的一側流向同一板的相反側的流動區域內，在流動中會產生一些渦流。圖3c示出了增加了換熱區域(即薄膜16)數量的實施例。更確切地說，以八個換熱區域代替圖北中所示的四個。一次流體板12和二次流體板13的數量也相應增加。其原理對應於結合圖北所描述的原理，相同的附圖標記表示相同的特徵。根據如圖3c所示的實施例，每一二次流體X，Y在四個分開的薄膜16上加熱。在如圖北和3c所示的熱交換器11的實施例中，一次流體被設置用於加熱二次流體，例如，在一次流體板和二次流體板12和13的各個第二層中的第一二次流體X。該一次流體W及第一和第二二次流體X，Y的流體迴路19，20，21相互交錯，從而一次流體W在一次流體板12的一側加熱第一二次流體X，而在同一一次流體板的另一側加熱第二二次流體Y。當圖3c所示的實施例採用對應於圖北所示的實施例的具體尺寸時，由於換熱表面增大，圖3c所示的實施例比圖北所示的實施例有更高的效率。當為具體應用設計根據上述原理的換熱器時，需要平衡傳熱面積和需要的效率。組裝時，成套的板12，13，14，15和薄膜16可被布置在根據圖4的殼體25內。該殼體25可具有加固鰭26。圖5更具體地示出了該殼體25的實施例。圖5示出了基於圖3c所示原理的實例性的換熱器11。圖5中示出了該換熱器11 的透視圖，並且各部件分開。此處採用了對應於圖3c的附圖標記。結合圖5-8對這些部件進一步具體地說明。根據該實施例的殼體25由作為一體件的第一和第二端板14，15構成。更具體來說，在一個實施例中該殼體25由具有側壁lfe-d的第二端板15構成，所述側壁用於與第一端板14相連。所述壁15a-d可通過例如焊接、成型或粘接與第一端板14相連。或者，所述壁lfe-d可通過緊固結構(未示出)與該第一端板14相連。圖6a，6b更詳細地示出了該一次流體板12的示例性實施例。圖7a，7b更詳細地示出了該二次流體板13的示例性實施例。各個一次和二次流體板12，13在其每一側上(例如在上側和下側)，均具有設置在支撐肋23a之間的多個通道24。這些通道24 —起形成了一次和二次流體的間隙17，18。 各個板12，13在其一側還具有沿其周邊的定位凸稜27a，該定位凸稜27a與相鄰板12，13的定位槽27b相配合，從而當堆疊在一起時，板12，13位於緊固位置。各端板14，15在其一側面上具有相應的支撐肋23a以及定位凸稜27a或定位槽27b，如圖5所示。而且，每個一次流體板和二次流體板12，13均具有多個貫穿口 24。一次流體板12上的支撐肋23a和在相鄰二次流體板13上的或在端板14、15之一上的支撐肋23a被布置為彼此面對面地配合。通常，在一次流體板和二次流體板12，13的至少一側上設置具有分流或聚流功能的支撐肋23a。在相鄰兩板12，13，14，15的支撐肋23a 這樣配合，即在板12，13，14，15之間的柔性薄膜16被支撐在板12，13，14，15之間的一個位置上。從而避免薄膜16彎曲，並因此抑制一次流體W或某一二次流體X或Y的流動。在各個一次流體板和二次流體板12，13的至少一側具有密封肋23b。該密封肋延伸，以便封閉各板的流體輸送部分，也可選擇性地圍繞貫通口對。當板12，13和薄膜16以彼此層層堆疊的方式設置並且在端板14，15之間壓在一起時，在薄膜16和各相鄰板12，13 的密封肋2 之間設置密封。至少該下端板15設有密封肋23b，其通過薄膜1 相對第四一次流體板12d密封(參見圖幻。按此方式，相鄰板12-15之間按照液密方式連接。端板14，15可以比一次流體板12和二次流體板13剛性更強。該第一、第二和第三流體迴路19，20，21分別布置在換熱器的右側和左側，目的是提供儘可能大的區域用於輸送流體並因此進行傳熱。圖8舉例示出了用在圖5所示的換熱器11中的、具有多個貫通口 M的薄膜16的實施例。支撐肋23a、密封肋23b、通道沈、定位凸稜27a和定位槽27b可被設計成許多各種不同的樣式。該薄膜16可用生理上可接受的、具有適當熱傳遞係數的柔性膜材料衝壓形成，該膜材料例如為高密度聚乙烯或低密度聚乙烯或層壓聚乙烯。一次流體板12以及二次流體板13可通過生理上可接受的材料注塑成型製造，該材料例如為低密度聚乙烯(LDPE)。殼體可通過例如聚碳酸酯(PC)，苯乙烯-丙烯腈樹脂(SAN)，熱塑性聚氨酯彈性體或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABQ製成。如上述涉及的換熱器11可為一次性的。然而，用於該換熱器11的組件的材料可按照使得換熱器11可被清洗或消毒和重複使用的方式來選擇。圖9示意性地示出了一 CRRT結構，其包含換熱器11，該換熱器11適於通過一一次流體W來加熱第一、第二和第三二次流體X，Y，Z0該一次流體W可以是從過濾單元2提取的廢棄液，該第一二次流體X可以是存儲在透析液源5中的新鮮透析液，該第二二次流體Y 可以是存儲在置換液源7中的置換液，而該第三二次流體Z可以是來自於抗凝液源9的抗凝液。在圖IOa中示出了用於根據圖9的CRRT結構的換熱器11的內部結構原理的一個實施例。圖IOa所示的原理包含用於在一次流體W和三個二次流體X，Y，Z間換熱的、四條分開的流體迴路19，20，21和觀。對應於圖3a，北所示的相應部件被指定了相應的附圖標記。但是，該換熱器11包含用於導入第三二次流體Z的第四入口 10c，以及用於導出該第三二次流體Z的第四出口 10d。圖IOa所示的原理包含六個傳熱區域，即薄膜16，三個一次流體板12，兩個二次流體板13以及一個頂板14和一個底板15。
根據圖IOa的換熱器11的實施例，該一次流體流W被布置用於交替加熱該第一、 第二和第三二次流體X，Y，Z。總之，該一次流體W沿其流經第一流體迴路19的路線，穿過三個一次流體板12a， 12b，12c。該第一二次流體X沿其穿過該第二流體迴路20的路線，經過一個二次流體板1 的兩側。該第二二次流體Y沿其穿過該第三流體迴路21的路線，經過一個二次流體板13a 的兩側。該第三二次流體Z沿其流經第三流體迴路觀的路線，分別經過第一和第二端板 14，15 的一側。如圖IOa的該實施例所示，第一一次流體W被設置流入例如在第二薄膜16b和第一一次流體板1 之間的一個間隙(如17a)中，其流向與設置在該同一一次流體板12a的另一側上的間隙17b中的一次流體的流向相反。另外，該二次流體X，Y，Z被設置為被交替地加熱，因此，與這些二次流體被相繼(即非交替地)加熱相比，此處來自於該一次流體W 的熱量被更均勻地分配到各二次流體X，Y，Z之間。之所以交替加熱二次流體的方式更有效，是因為一次流體W中大部分的熱量被傳遞給該二次流體X，Y，Z。交替加熱各二次流體 X，Y，Z的方式，使得通過整個換熱器11最大限度地利用該一次流體W和該二次流體X，Y， Z中任何一個之間的溫差，S卩，該一次流體W或多或少地將各個二次流體X，Y，Z加熱至同樣的程度。根據圖IOa所示的實施例，各個二次流體X，Y，Z在兩個分開的薄膜16上被加熱。圖IOb示出了具有數量增加的換熱區域(即薄膜16)的實施例。更確切地說，以十個換熱區域代替圖IOa中的六個。一次流體板12和二次流體板13的數量也相應增加。 該原理對應於與圖IOa相結合說明的原理，且同樣的附圖標記被用於相應的特徵。根據圖 IOb所示的該實施例，該第一和第三二次流體X，Z在三個分開的薄膜16上被加熱，而該第二二次流體Y在四個分開的薄膜16上被加熱。在圖北，3c，IOa和IOb所示的實施例中，一次流體W被從該換熱器11的頂部導入， 該二次流體X，Y，ζ被從該換熱器11的底部導入。圖3a，3b，IOa和IOb所建議的設計導致一次流體W的流向與各二次流體X，Y，Z的流向相反。其也導致接近二次流體X，Y，Z的各出口 6d，8d，IOd的傳熱薄膜16，較更接近於二次流體6c，8c，IOc的入口的薄膜被更暖的一次流體W所加熱。通過該方式，該一次流體W中的熱能以一種有效的方式被利用。圖;3b，3c，10a, IOb所示的實施例中，一次流體W在薄膜16 —側的流動逆向於各二次流體在該同一薄膜16另一側的流動。該換熱器11的傳熱效率基於所選用的薄膜16材料、該材料的厚度、流動路徑的寬度、深度和長度以及換熱器的可用面積。然而，在考慮傳熱效率時，也必須與流經換熱器11 的不利壓降相協調。如圖IOb所示的這種換熱器11的示例性實施例A具有四個流體迴路19，20，21，觀以及十個換熱面(即薄膜16a_j)，該換熱器的尺寸和材料如下。
權利要求
1.一種板式換熱器(11)，其具有第一流體迴路(19)和第二流體迴路(20)，該第二流體迴路與該第一流體迴路彼此分開，其特徵在於，該板式換熱器包含堆疊的多個流體板(12，13，40)和布置在每個所述流體板之間的薄膜(16)，其中，在每個所述流體板和所述薄膜之間分別形成一個間隙；並且該第一流體迴路和第二流體迴路(19，20)均構成為延伸穿過所述流體板和所述薄膜並沿所述流體板和所述薄膜在至少兩個所述間隙(17，18)內延伸的通道；並且至少一個所述流體迴路從該換熱器的一側延伸到該換熱器的相反側。
2.根據權利要求1所述的板式換熱器(11)，其中，所述板式換熱器包含與該第一流體迴路(19)和該第二流體迴路00)分開的第三流體迴路(21)，其中該第三流體迴路構成為延伸穿過所述流體板和所述薄膜並沿所述流體板和所述薄膜在至少兩個所述間隙(18)內延伸的通道。
3.根據權利要求2所述的板式換熱器(11)，其中，該第一流體迴路(19)構成為在至少四個所述間隙(17a-d)內延伸的通道。
4.根據權利要求2所述的板式換熱器(11)，其中，該第一流體迴路(19)構成為在至少八個所述間隙(17a_h)內延伸的通道，該第二流體迴路00)構成為在至少四個所述間隙 (18b，18c，18f，18g)內延伸的通道，以及該第三流體迴路構成為在至少四個所述間隙 (18a，18d，18e，18h)內延伸的通道。
5.根據權利要求2所述的板式換熱器(11)，其中，所述板式換熱器包含與該第一流體迴路(19)、該第二流體迴路OO)和該第三流體迴路分開的第四流體迴路08)，其中該第四流體迴路構成為延伸穿過所述流體板和所述薄膜並沿所述流體板和所述薄膜在至少兩個所述間隙(18a，18f)內延伸的通道。
6.根據權利要求5所述的板式換熱器(11)，其中該第一流體迴路(19)構成為在至少六個所述間隙(17a-f)內延伸的通道。
7.根據權利要求5所述的板式換熱器(11)，其中該第一流體迴路(19)構成為在至少十個所述間隙(17a_17j)內延伸的通道，該第二流體迴路OO)構成為在至少三個所述間隙(18a，18f，18g)內延伸的通道，該第三流體迴路Ql)構成為在至少四個所述間隙(18b， 18c，18h，18i)內延伸的通道，以及該第四流體迴路08)構成為在至少三個所述間隙(18d， 18e,18j)內延伸的通道。
8.根據權利要求5所述的板式換熱器(11)，其中該第一流體迴路(19)構成為在至少九個所述間隙(17a_i)內延伸的通道，該第二流體迴路OO)構成為在至少三個所述間隙(18b，18e，18h)內延伸的通道，該第三流體迴路Ql)構成為在至少三個所述間隙(18c， 18f，18i)內延伸的通道，以及該第四流體迴路08)構成為在至少三個所述間隙(18a，18d， 18g)內延伸的通道。
9.根據前述權利要求之一所述的板式換熱器(11)，其中該流體板(12，13，40)以及該薄膜(16)總體上呈矩形，並且具有彼此相同的外形和尺寸。
10.根據前述權利要求之一所述的板式換熱器(11)，其中該流體板(12，13，40)以及該薄膜(16)總體上呈八邊形，並且具有彼此相同的外形和尺寸。
11.根據權利要求1-7或9-10之一所述的板式換熱器(11)，其中所述流體板(12，13)被分為一組一次流體板(1 和一組二次流體板(13)，其中該一次流體板採用第一種設計， 該二次流體板採用第二種設計，其中該第一種設計不同於該第二種設計。
12.根據權利要求8所述的板式換熱器(11)，其中這些流體板GO)採用彼此相同的設計。
13.根據權利要求12所述的板式換熱器(11)，其中這些流體板GO)被分為第一組和第二組，其中該第一組中的流體板相對於該第二組中的流體板在平行於流體板的平面內旋轉了 180度。
14.根據前述權利要求之一所述的板式換熱器(11)，其中堆疊的所述流體板(12，13， 40)和所述薄膜被布置在上端板和下端板(14,1 之間。
15.根據權利要求14所述的板式換熱器(11)，其中各個所述端板(14,1 相互一體結合以形成殼體。
16.根據權利要求1所述的板式換熱器，其中該流體板(12，13，40)在兩個側面上均設有流道(24)。
17.根據權利要求5所述的板式換熱器，其中該第一、第二、第三和第四流體迴路(19， 20,21,28)中的每一個均從該換熱器(11)的一側延伸到該換熱器(11)的相反側。
18.根據權利要求1所述的板式換熱器，其中該流體板(12，13，40)是基本隔熱的。
19.一種換熱方法，在該方法中，在根據權利要求1-18之一所述的換熱器(11)中在一次流體(W)和二次流體(X)之間進行換熱，其中所述一次流體(W)流經第一流體迴路(19)， 而所述二次流體(X)流經第二流體迴路00)，其特徵在於，所述換熱方法包括以下步驟使該一次流體(W)沿薄膜(16)的一側通過，同時使該二次流體(X)沿該薄膜(16)的另一側通過，在該薄膜(16)上進行該一次流體(W)和該二次流體⑴之間的換熱。
20.一種換熱方法，在該方法中，在根據權利要求3-18之一所述的換熱器(11)中在一次流體(W)和第一二次流體及第二二次流體(X，Y)之間進行換熱，其中該一次流體(W)流經第一流體迴路(19)，該第一二次流體(X)流經第二流體迴路(20)，而該第二二次流體(Y) 流經第三流體迴路01)，其特徵在於，所述換熱方法包括以下步驟使該一次流體(W)沿第一薄膜(16)的一側通過，同時使該第一二次流體(X)沿該第一薄膜(16)的另一側通過；隨後，使該一次流體(W)沿第二薄膜(16)的一側通過，同時使該第二二次流體(Y)沿該第二薄膜(16)的另一側通過；在該第一薄膜(16)上進行該一次流體(W)和該第一二次流體(X)之間的換熱；以及在該第二薄膜(16)上進行該一次流體(W)和該第二二次流體(Y)之間的換熱。
21.一種換熱方法，在該方法中，在根據權利要求5-18之一所述的換熱器(11)中在一次流體(W)和第一、第二和第三二次流體(X，Y，Z)之間進行換熱，其中該一次流體(W)流經第一流體迴路(19)，該第一二次流體(X)流經第二流體迴路(20)，該第二二次流體(Y)流經第三流體迴路(21)，以及該第三二次流體流經第四流體迴路08)，其特徵在於，該換熱方法包括以下步驟使該一次流體(W)沿第一薄膜(16)的一側通過，同時使該第一二次流體(Z)沿該第一薄膜(16)的另一側通過；隨後，使該一次流體(W)沿第二薄膜(16)的一側通過，同時使該第二二次流體(X)沿該第二薄膜(16)的另一側通過；隨後，使該一次流體(W)沿第三薄膜(16)的一側通過，同時使該第三二次流體(Y)沿該第三薄膜(16)的另一側通過；在該第一薄膜(16)上進行該一次流體(W)和該第一二次流體(Z)之間的換熱； 在該第二薄膜(16)上進行該一次流體(W)和該第二二次流體(X)之間的換熱；以及在該第三薄膜(16)上進行該一次流體(W)和該第三二次流體(Y)之間的換熱。
22.根據權利要求19-21之一所述的方法，其中該一次流體流(W)的方向與該第一、第二或第三二次流體流(Χ，Υ，Ζ)中的至少一個的方向相反。
23.根據權利要求20-22之一所述的方法，其中該一次流體(W)被設置穿過該換熱器 (11)，以交替加熱該第一二次流體和該第二二次流體(X，Y)。
24.根據權利要求21-22之一所述的方法，其中該一次流體(W)被設置穿過該換熱器， 以交替地加熱該第一、第二和第三二次流體(X，Y，Ζ)。
25.根據權利要求19-Μ之一所述的方法，其中所述二次流體(X，Y，Ζ)中的至少一個是在至少兩個分開的薄膜(16)上被加熱的。
26.根據權利要求19-Μ之一所述的方法，其中所述二次流體(X，Y，Ζ)中的至少一個是在至少三個分開的薄膜(16)上被加熱的。
27.根據權利要求20-21之一所述的方法，其中該第二流體迴路O0，21，28)與該第一流體迴路(19)彼此交錯，從而該一次流體(W)在該第一薄膜(16)上加熱該第一二次流體 (X)，並且在該第二薄膜(16)上加熱該第二二次流體(Y)。
28.根據權利要求20所述的方法，其中該一次流體(W)被分為第一和第二流，其中該第一流流經該第二流體迴路(20)，而該第二流流經該第三流體迴路(21)，其中該第一二次流體流(X)流經該第一流體迴路(19)。
29.根據權利要求21所述的方法，其中該一次流體(W)被分為第一、第二和第三流，其中該第一流流經該第二流體迴路(20)，該第二流流經該第三流體迴路以及該第三流流經該第四流體迴路( )，其中該二次流體流流經該第一流體迴路(19)。
30.根據權利要求19- 之一所述的方法，其中該一次流體(W)構成為廢棄液，該二次流體(x，Y，z)選自包含新鮮透析液、置換液、抗凝液、血液和血漿的組。
31.一種用於連續性腎臟替代療法的結構，其包括-連續性腎臟替代療法監視器(36)，其帶有至少一個血液泵(Ib)，至少一個治療液泵 (6b, 8b, 10b)，以及可選地帶有廢棄液泵(3b)；-一次性血液管線(Ia)，其與該監視器相連接，用於通過該血液泵進行體外血液循環； -流體分配通路，其與該監視器相連接，其包括用於可選地通過所述廢棄液泵來使廢棄液(3a)通過的管線；-至少一條用於治療液(6a，8a，IOa)的管線，其與該監視器相連接，用於通過所述治療液泵(6b，8b，10b)來使治療液通過，其中所述治療液(5，7，9)是預先配製且隨時可用的，以及-過濾單元O)，其被布置在該血液管線和流體處理迴路之間，其特徵在於，該流體分配通路包括如權利要求1所述類型的換熱器(11)，該換熱器 (11)被配置為與該廢棄液管線(3a)流體耦合併被配置為與所述至少一條治療液管線(6a， 8a, 10a)處於傳熱關係中，以便將熱量從該廢棄液傳遞到所述至少一種治療液。
32.—種一次性套件，其包括-支撐結構(50)；-血液管線(Ia)；-流體分配通路，其包括廢棄液管線(3a)和至少一條治療液管線(6a，8a，10a)，其中所有管線均連接至該支撐結構(50)，並且所述至少一條治療液管線具有U形部分(32，34， 35)，所述U形部分被設計用於與相應各泵(6b，8b，IOb)相配合，其特徵在於，該流體分配通路包括如權利要求1所述類型的換熱器(11)，該換熱器 (11)被配置為與該廢棄液管線(3a)流體耦合，並且被配置為與所述治療液管線(6a，8a， 10a)處於傳熱關係中，以便將熱量從該廢棄液傳遞到該治療液。
33.一種用於連續性腎臟替代療法的結構，其包括-連續性腎臟替代療法監視器(36)，其帶有至少一個血液泵(Ib)，至少一個治療液泵 (6b, 8b, 10b)，以及可選地帶有廢棄液泵(3b)，-一次性血液管線(Ia)，其與該監視器相連接，用於通過所述血液泵進行體外血液循環，-流體分配通路，其與該監視器相連接，其包括用於可選地通過所述廢棄液泵來使廢棄液(3a)通過的管線，以及-至少一條用於治療液(6a，8a，IOa)的管線，其與該監視器相連接，用於通過所述治療液泵(6b，8b，10b)來使治療液通過，其中所述治療液(5，7，9)是預先配製且隨時可用的，以及-過濾單元O)，其被布置在該血液管線和流體處理迴路之間，其特徵在於，該流體分配通路包括如權利要求1所述類型的換熱器(11)，該換熱器 (11)被配置為與該廢棄液管線(3a)流體耦合，並且被配置為與該血液管線(Ia)處於傳熱關係中，以便將熱量從該廢棄液傳遞到血液。
全文摘要
本發明涉及一種用於在一次流體(W)和二次流體(X)之間換熱的方法，還涉及一種用於傳熱的傳熱器(11)以及包含換熱器的結構和套件。該換熱器包含通過該換熱器的第一和第二流體迴路(19，20)。該換熱器進一步包含堆疊的流體板(12，13，40)和布置在各流體板(12，13，40)之間的薄膜(16)，其中在各流體板和薄膜之間形成一個間隙。第一和第二流體迴路(19，20)均構成為延伸穿過該流體板和薄膜並沿該流體板和薄膜在至少兩個間隙(17，18)內延伸的通道。根據該換熱方法，一次流體(W)流經第一流體迴路(19)，二次流體(X)流經第二流體迴路(20)，從而使一次流體(W)沿薄膜(16)的一側通過，同時使二次流體(X)沿該薄膜(16)的另一側通過。從而在薄膜(16)上，在一次流體(W)和二次流體(X)之間實現換熱。
文檔編號A61M1/36GK102176936SQ200980140254
公開日2011年9月7日 申請日期2009年10月9日 優先權日2008年10月10日
發明者蘭納特·瓊森, 埃迪·尼爾松, 揚·斯坦貝 申請人:甘布羅倫迪亞股份公司